朱新華，郭文川

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

影響食品射頻-微波介電特性的因素及影響機理分析

朱新華，郭文川

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

了解食品的射頻-微波介電特性，對于充分利用電磁能加熱食品及研發(fā)食品成分傳感器具有重要意義。為了給國內食品射頻-微波介電特性領域的研究提供借鑒，本文在介紹常用食品介電特性參數(shù)和介電極化機理的基礎上，綜述電信號的頻率、食品溫度、主要成分(水、鹽和脂肪)以及容積密度對食品物料射頻-微波介電特性的影響規(guī)律，分析影響機理，并指出今后的研究方向。

食品；介電特性；頻率；溫度；成分

Abstract：Understanding radio frequency (RF) and microwave (MW) dielectric properties of foods is important to exploit electromagnetic energy during heating and to develop food composition sensors. In order to provide useful information on the microwave dielectric properties of food, the effects of signal frequency, sample temperature and major compositions including water, salt and fat as well as bulk density on RF-MW dielectric properties of food have been reviewed on the basis of dielectric properties and dielectric polarization mechanisms of commonly-available foods, which will be beneficial for future analysis of its mechanisms and future development trends.

Key words：food；dielectric property；frequency；temperature；composition

食品的介電特性描述了處于電磁場中的物質與電磁波相互作用的能力。對食品介電特性，尤其是其射頻(300kHz～300MHz的電磁波)和微波(300MHz～300GHz的電磁波)介電特性的研究，使得從20世紀40年代開始出現(xiàn)了一種不同于傳統(tǒng)的對流、傳導和輻射加熱的方法——射頻-微波加熱。隨后，食品物料的介電特性和微波加熱設備的研發(fā)成為研究的焦點。對食品介電特性的研究，不僅有助于了解食品在電場中的介電行為，為充分利用能源，研發(fā)更經濟的射頻-微波加熱設備提供基礎，而且介電特性可用于檢測食品的組成成分，因為科研工作者發(fā)現(xiàn)食品的介電特性與成分，例如水、鹽、脂肪以及食品的結構等有關。目前我國在食品射頻-微波介電特性的研究成果較少，本文將介紹信號頻率、食品溫度、食品中的水、鹽、脂肪和容積密度等對食品物料介電特性的影響規(guī)律，并分析影響機理，旨在為此領域的研究提供參考。

1 食品介電特性基礎

1.1 常用反映介電特性的物理參數(shù)

自然界中的物質皆具有比真空大的介電常數(shù)值，為此用物質的絕對介電常數(shù)εa與真空中的介電常數(shù)ε0(8.854×10－12F/m)的比值εr表示物質的相對介電常數(shù)，即εr=εa/ε0。在時間變化的正弦高頻或微波電場中，常將處于電場中的物質等效為電阻與電容的并聯(lián)或串聯(lián)模型，因此用具有實部和虛部的復數(shù)相對介電常數(shù)(εr*)表示物質的介電特性，即：

式中：εr＇為復數(shù)相對介電常數(shù)的實部，稱為相對介電常數(shù)；εr＂為復數(shù)相對介電常數(shù)的虛部，稱為介質損耗因數(shù)；j為虛部單位。

εr＇與物質的電容特性有關，εr＂與物質的電阻特性有關，它們分別反映了物質儲存電場的能力和將電磁能轉換為熱能的能力。絕大多數(shù)食品物料的εr＂是正值且小于其εr＇。理論上有εr＂=εr＇tanδ，δ為損耗角，tanδ為損耗角正切，是所消耗的能量與儲存能量之比，稱為耗散因數(shù)或介質損耗正切。

1.2 電介質的極化

電介質處于電場中時，由于同號電荷相斥，異號電荷相吸使得介質表面會出現(xiàn)與各自貼近極板電荷相反的電荷分布，這種現(xiàn)象稱作電介質的極化，介質表面上出現(xiàn)的電荷稱作極化電荷。復數(shù)介電常數(shù)的值反映了電場中物質被極化的難易程度[1]。

電場中電介質的極化主要有3種方式：偶極子的取向極化、電子位移極化和原子位移極化。各種極化的特征頻率是偶極子取向極化主要在微波域，電子極化在紫外線域，原子極化在紅外、遠紅外域[2]。除此之外，離子的導電性是引起介電損耗的主要原因。物質的介電特性是各種極化的綜合反映。在射頻-微波頻段下，原子和電子極化相對較弱，基本為一常值，離子導電性和偶極子取向極化是引起介電損耗的主要原因[3]，因此有：

式中：ε＂rd為偶極子旋轉引起的相對介電損耗；ε＂rσ為離子的導電性引起的相對介電損耗；σ為離子的電導率/(S/m)；ε為角頻率/(rad/s)；ω=2πf，f為電場頻率/Hz。

當電信號是大于1GHz的微波時，偶極子的取向極化是所有的損耗機理中最顯著的影響因素；而當電信號是小于1GHz的微波或射頻時，離子的導電性是引起介電損耗的主要原因[3]。

2 影響食品射頻-微波介電特性的因素

影響食品射頻-微波介電特性的主要因素有電信號頻率、食品溫度和食品成分——水、鹽、脂肪等。在顆粒狀食品物料中，容積密度也是影響介電特性的因素。

2.1 頻率的影響

德拜方程(式(3))可用于描述極性物質，尤其是自由水的介電特性。

將式(3)分成實部和虛部兩部分后，得[4]：

式中：εrs為介質的靜態(tài)相對介電常數(shù)，即介質在直流電場作用下的介電常數(shù)；εr∞為電子位移極化的介電常數(shù)，又稱光頻介電常數(shù)；ω為角頻率/(rad/s)；ω＝2πf，f為電場頻率/Hz；τ為松弛時間/s (一般大于10－10s)。

公式說明，εr＇和εr＂都是隨頻率變化的函數(shù)。圖1是常溫下自由水的介電參數(shù)隨頻率變化的規(guī)律[5]。25℃條件 下自由水的松弛頻率fc是19.2GHz[6]，此時εr＂具有最大值，而εr＇急劇下降。但是，食品中除了水之外，還有各種各樣能溶于水的離子。在射頻下，離子的導電性是引起介電損耗的主要原因，這使得射頻段εr＂隨著頻率的增大而減小，而在微波頻段由于引起介電損耗的主要原因是偶極子的極化，此時水溶液的介電特性與純水的介電行為基本相同。如圖2所示是頻率對3種蜜瓜汁的εr＂的影響[7]。這種介電參數(shù)隨頻率變化的規(guī)律也發(fā)現(xiàn)于其他食品的介電特性中，例如雞蛋[8-9]、飲料[10-11]和醬油[12]。

圖1 常溫下自由水的介電行為Fig.1 Dielectric behavior of free water at room temperature

圖2 24℃下頻率對蜜瓜汁ε＂r的影響Fig.2 Effect of radio frequency onεr＂of honeydew melon juice at 24℃

2.2 溫度的影響

當食品處于冷凍狀態(tài)時，食品在微波頻段下的介電特性受冷凍食品中自由水和離子濃度的影響。冷凍狀態(tài)下食品中的自由水較少，因此此時食品的εr＇和ε＂r值較小。而在解凍過程中，隨著食品中自由水含量的增多，在小于松弛頻率的微波頻段，食品的εr＇和ε＂r迅速增加[13]。ε＂r越大，物質吸收電磁能而將其轉換為熱能的能力越大。因此在同樣的電磁場下，已被解凍食品吸收的能量大于未被解凍的食品，容易形成所謂的“冷點”。這也就是為什么在微波爐中解凍肉時表面的肉幾乎快被烤熟而內部肉仍然處于冷凍狀態(tài)的原因。如果食品含鹽量較少或不含鹽，則食品被解凍之后，當f＜fc時，εr＇和ε＂r隨溫度的升高而減小[14-15]，使得溫度高處吸熱相對少，溫度低處吸熱相對較大，這有利于加熱的均勻性。圖3是溫度對水的介電參數(shù)的影響[16]。圖3說明隨著溫度的增加，水被極化時的fc增大，但相應fc下的ε＂r值減小。

圖3 溫度對水的介電參數(shù)的影響Fig.3 Effect of temperature on dielectric parameters of water

2.3 水的影響

水對食品介電特性的影響程度取決于濕性食品中水的存在形式。食品中的水以自由水和束縛水的形式存在。自由水容易散失，而束縛水很難散失。當物品干燥到一定程度，含水率不能再降低時，此時存在于食品中的水主要是束縛水[4]。偶極子存在于自由水中，微波下偶極子的取向極化是主要的極化方式。束縛水對極化的響應要比自由水小得多。當含水率大于某一值時，自由水對介電特性的影響起主要作用，此時ε＇r和ε＂r隨含水率的降低迅速減小。但當?shù)陀谠撝禃r，由于食品中的水主要是束縛水，ε＂r隨含水率的減小緩慢降低，如圖4所示。因此，含水率小的食品比同種含水率多的食品吸收的熱量少，這樣在利用微波能干燥物品或利用微波能進行食品脫水時就使含水量多處失水較快，含水量少處失水較慢，會使干燥后食品的水分分布比較均勻。

圖4 室溫27MHz條件下含水率對介質損耗因數(shù)的影響Fig.4 Effect of water content on dielectric loss factor of chickpea under room temperature and 27 MHz radio frequency

在成分對食品介電特性的影響研究中，對水的研究是最多的，如各種肉及其制品[17-18]、奶[19]、果蔬[20]、蜂蜜[21]和各種顆粒狀農產品[22-24]。這些研究為基于介電特性的食品物料水分檢測新方法或含水率傳感器的開發(fā)提供了基礎。

2.4 鹽的影響

濕性食品中的鹽會使離子濃度增加，從而使食品的介電特性發(fā)生明顯的變化。這種影響主要體現(xiàn)在三個方面：1)影響介電參數(shù)值。相同條件下，加鹽食品的εr＇明顯小于未加鹽食品，而εr＂卻明顯增大，這是由于離子濃度的增大使得導電性能增大。例如，30℃、2450MHz條件下，未加鹽黃油的εr＇=24.5，εr＂=4.3，而加鹽(NaCl)0.60g/100g黃油的εr＇=9.0，εr＂=15.5[25]。在雞肉[26]、豬肉[27-28]中加入鹽后，也發(fā)現(xiàn)隨著食品中含鹽量的增加，εr＇逐漸減小，而εr＂逐漸增大；2)影響介電參數(shù)的頻率特性。在微波頻段，含鹽食品的εr＇隨頻率增加明顯減小，而未含鹽食品的εr＇隨頻率增加緩慢減小[3]。圖5是40℃條件下，鹽對黃油介電參數(shù)頻率特性的影響[25]。3)影響介電參數(shù)的溫度特性。如果非冷凍狀態(tài)下的食品中不含鹽或含鹽量比較小，在松弛頻率以下的微波頻段，εr＇和εr＂將隨溫度的升高而減小。但是當含鹽量較大時，離子的濃度增大，溫度的增加使得液體的黏度下降和離子的流動性增加，導致微波下離子溶液電導率的增加，從而使得εr＇和εr＂隨溫度的升高而增大[4]。此時，溫度高處吸熱多，溫度低處反而吸熱少，造成所謂的“熱逸散”，引起加熱的不均勻。

鹽對介電特性的影響在很大程度上也取決于其運動過程中受其他食品成分限制的方式，這就使得根據(jù)單一成分的介電特性預測混合物的介電特性比較復雜[29]。

圖5 加鹽量對40℃條件下黃油樣品介電特性的影響Fig.5 Effect of salt amount on dielectric properties of butter sample at 40 ℃

2.5 脂肪的影響

脂肪和油脂通常被認為是自然界中微波場下的惰性物質，它們和電場的作用力很弱。因此，相同條件下，食品中的脂肪或油脂含量越高，則其εr＇和εr＂越小。例如在450W，27.12MHz加熱90s后測得的脂肪含量76.1%，含水率19.0%的豬背部脂肪肉的εr＇=12.5，εr＂=13.1，而脂肪含量4.4%，含水率73.9%的豬肩部肉的εr＇=69.6，εr＂=392.0[28]。牛肉的研究中也發(fā)現(xiàn)脂肪含量高的牛肉比脂肪含量低的具有比較小的εr＇和εr＂值[30]。當然，這種現(xiàn)象也與樣品中的含水率不同有關。

2.6 容積密度的影響

電介質的介電特性取決于與電磁場相互作用的物體質量的大小，因此單位體積內物質的量，對于顆粒狀或半流動性固體食品而言，即其容積密度，也對介電參數(shù)值有影響。當其他條件相同時，容積密度大的食品物料具有較高的εr＇和ε＂r。這在對大量的糧食、谷物、粉狀農產品或食品介電特性的研究中已經得到證實。同時Trabelsi等[31]發(fā)現(xiàn)當εr＇ 和分別除以容積密度ρ時，εr＇/ρ與ε＂r/ρ呈線性關系，而與物料的含水率無關。該發(fā)現(xiàn)為基于介電特性的容積密度傳感器的研發(fā)鑒定了基礎。

除以上因素影響食品的射頻-微波介電特性外，淀粉種類和形式[32-33]，蛋白質含量[34]，食用油中脂肪酸的含量和種類[35]，水果中的可溶性固形物含量[36-37]等也影響介電特性。值得說明的是，對食品介電特性的影響是多種因素共同作用的結果，因此在分析某種因素的影響時不可避免的涉及其他因素。

3 展 望

雖然在食品介電特性研究方面取得了一些成果，而且主要集中于國外，但仍然有許多方面需進一步的探索和研究，筆者認為今后的研究將著重于以下幾個方面：

1) 拓寬研究對象。目前研究的食品品種已比較多，但主要還是集中于肉、奶、蛋、果蔬、顆粒狀農產品等中，對于非大眾食品的研究較少。因此，有必要更廣泛地了解各類食品的介電特性。

2) 加大單一組分對介電特性影響研究的深度。在眾多的組成成分中，對水的研究是最多的，另外，對于鹽、脂肪等也有一定的研究，但對其他成分對介電特性影響規(guī)律缺乏了解?，F(xiàn)有研究的深度和廣度遠遠不夠。只有充分了解介電特性與主要成分間的關系，才能為介電特性識別品質提供可能。

3) 探索基于介電特性綜合評價各種成分的方法。事實上，影響食品介電特性的因素非常多，各種因素之間又有一定的交聯(lián)作用，這給介電特性評價食品的單一成分帶來困難。因此，在了解各種成分對食品介電特性影響的基礎上，建立基于介電特性綜合評價食品中多種成分的方法將成為今后研究的重點。

4) 加強成果轉化的力度。雖有一些研究成果已經轉化為生產力，但絕大多數(shù)的研究還處于實驗室階段，在從理論到實踐的過程中還需繼續(xù)努力。

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A Review of Affecting Factors and Their Mechanisms of the Radio Frequency-Microwave Dielectric Properties of Foods

ZHU Xin-hua，GUO Wen-chuan
(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

S183

A

1002-6630(2010)17-0410-05

2009-12-22

陜西省自然科學基金項目(SJ08-ZT06)；西北農林科技大學青年學術骨干項目(Z111020711)

朱新華(1967—)，男，副教授，學士，研究方向為農產品和食品加工工程。E-mail：zxhjdxy@sina.com